Säuren und Basen: Konjugierte Säure-Base-Paare

Das Konzept der Säuren und Basen ist ein sehr wichtiges Teilgebiet der Chemie, mit welchem sich zahlreiche Effekte und Reaktionen erklären lassen können. Brønsted definierte eine Säure als eine chemische Verbindung, die bei Reaktionen positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) abgibt. Weil Säuren die Wasserstoffionen abgeben, bezeichnet man sie auch als Protonendonatoren (lat. „donare“ – geben). Parallel dazu definierte Brønsted chemische Verbindungen, die positiv geladene Wasserstoffionen aufnehmen als Basen. Basen sind daher Protonenakzeptoren (lat. „acceptare“ –annehmen, aufnehmen). Aus den Definitionen von Brønsted können wir schließen, dass eine Säure notwendigerweise ein Wasserstoffatom besitzen muss, um Protonen abgeben zu können. Ebenso muss eine Brønsted-Base die Eigenschaft besitzen, ein positives Wasserstoffion aufnehmen zu können. Betrachten wir zur Verdeutlichung des Säure-Base-Konzeptes nach Brønsted eine der wichtigsten und bekanntesten Säuren in der chemischen Industrie – die Salzsäure (HCl).
Wie wir bereits an der Formel der Salzsäure erkennen können, besteht die Säure aus einem Wasserstoff- und einem Chlor-Atom. Gibt die Säure den Wasserstoff (mit positiver Ladung) ab, so bleibt ein negativ geladenes Chlor-Anion übrig. Diesen Vorgang kann man in Anwesenheit von Wasser wie folgt festhalten:

Latex formula

Aus dieser Gleichung können wir also schließen, dass sich HCl nach Brønsted wie eine Säure verhält, da sie ein Proton abgibt. Das Wasser verhält sich wie eine Brønsted-Base, da es ein Proton aufnimmt, was ja eben das Kriterium für eine Base war. Da HCl nur ein Proton abgeben kann, bezeichnet man die Salzsäure als eine einprotonige Säure. Jedoch existieren auch mehrprotonige Säuren. Ein Beispiel für eine solche mehrprotonige Säure wäre die Phosphorsäure (H3PO4). Wie man leicht erkennt, enthält die Phosphorsäure 3 Wasserstoff-Atome. Gibt die Phosphorsäure nun eines dieser 3 Protonen ab, bleiben 2. Die Reaktion dazu lautet wie folgt:

Latex formula

Weil die Phosphorsäure noch mehr Protonen abgeben kann, bezeichnet man die Abgabe des ersten Protons auch als die erste Protolysestufe. Die zweite Protolysestufe wäre die Folgende:

Latex formula

Und die dritte Protolysestufe:

Latex formula

Als Produkt erhält man also Latex formula, welches auch als Phosphat-Ion bezeichnet wird. Wie leicht zu erkennen ist, enthält das Phosphat-Ion keine weiteren Wasserstoff-Atome, welche als Protonen abgegeben werden könnten. Somit ist das Phosphat-Ion keine Säure mehr und man weiß, dass die Phosphorsäure lediglich 3 Protolysestufen besitzt. Die Zahl der anfänglichen Protonen, die abgegeben werden können bestimmt also auch die Anzahl der Protolysestufen. Für gewöhnlich sinkt die Säurestärke mit der Protolysestufe. Das bedeutet, dass man die Säurestärke der Phosphorsäure bis zum Phosphat-Ion wie folgt beschreiben kann:

  • H3PO4> H2PO4-> HPO42-

Konjugierte Säure-Base-Paare

Bezeichnen wir im Folgenden die Säure mit HX und ihre entsprechende Base als X-, so lässt sich folgende Reaktion mit Wasser festhalten:

Latex formula

Da jedoch sowohl die Hinreaktion, als auch die Rückreaktion abläuft, kann man diese Reaktion auch wie folgt schreiben:

Latex formula

Der einzige erkennbare Unterschied zwischen HX und X- ist das fehlende Proton. Folglich handelt es sich bei der Base also um die deprotonierte Form der Säure. Solche Säure-Base-Paare, die sich lediglich um ein Proton unterscheiden, bezeichnet man als korrespondierendes Säure-Base-Paar. Betrachten wir als Beispiel zu einem korrespondierenden Säure-Base-Paar die bereits bekannte Reaktion von Salzsäure mit Wasser.

Latex formula

Selbstverständlich ist die Salzsäure in diesem Fall die Säure. Folglich dient das Wasser als Base. Die Salzsäure gibt ein Proton an das Wasser ab. Dabei entstehen ein Chlorid-Anion sowie Oxonium. Das Chlorid-Anion entspricht exakt der Salzsäure – bis auf das fehlende Proton. Aus diesem Grund ist das Chlorid-Anion die zur Salzsäure korrespondierende Base. Andererseits entspricht das Oxonium exakt dem Wasser – bis auf das hinzugekommene Proton. Da nun das Oxonium die protonierte Form des Wassers ist, ist es auch die korrespondierende Säure zur Base Wasser. Der Zusammenhang ist in der nachfolgenden Grafik veranschaulicht.

saeuren-und-basen-1
Gleichermaßen kann man konjugierte Säure-Base-Paare auch für Reaktionen finden, bei dem das Wasser als Säure reagiert. In folgendem Beispiel wird als Base Ammoniak verwendet. Ammoniak (NH3) kann ein weiteres Proton aufnehmen und reagiert dabei zum Ammonium-Ion. Außerdem gibt das Wasser ein Proton ab und bildet Hydroxid.

saeuren-und-basen-2
Betrachtet man die Rückreaktion, so gibt das NH4+ ein Proton ab, weswegen es als (konjugierte) Säure reagiert. OH- hingegen nimmt bei der Rückreaktion ein Proton auf, weswegen es als (konjugierte) Base reagiert.

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